作者：黃超、劉繼全、田壯臣
單位：二重(德陽)重型裝備有限公司重型機械工程公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜誌
1. 概述
十字軸是十字形萬向接軸的重要零部件（見圖1），其材料常選用15CrNi4MoA鋼，最終熱處理工藝為滲碳淬火，因材料Ni含量（質量分數）高達4%～4.5%，Ni和Fe能無限固溶，擴大奧氏體區，是形成和穩定奧氏體的主要合金元素，會降低馬氏體轉變結束溫度Mf點至室溫以下，淬火後還會保留相當數量的殘留奧氏體，加之滲碳後，滲碳層奧氏體碳濃度很高，達到0.7%～0.9%，碳含量高也會使殘留奧氏體量增加。因此，其淬火後組織中有大量殘留奧氏體（見圖2），奧氏體是一種硬度很低的相，會導致硬度降低，使十字軸滲碳淬火後硬度只能達到55HRC左右。十字軸的軸頸直接與軸承滾子裝配使用，而軸承滾子的硬度通常都在60HRC以上，由於十字軸硬度偏低，常導致十字軸被高硬度的軸承滾子快速磨損，發生表面剝落失效。
圖1 十字軸結構
圖2 15CrNi4MoA鋼殘留奧氏體
為提高十字軸的滲碳淬火硬度，常用方法是在滲碳淬火後增加一道深冷處理工序，使殘留奧氏體繼續轉變成馬氏體，減少殘留奧氏體量，增加馬氏體量，從而提高硬度。但深冷處理成本較高，深冷時間較長，因此本文從另一個方向進行探索研究，將滲碳淬火後的十字軸進行感應淬火，分析滲碳淬火加感應淬火工藝對硬度、金相組織、淬硬層硬度梯度的影響，並討論該工藝的應用方向，為該類零件的熱處理工藝提供另一種參考方法。
2. 試驗材料及方法
試驗選用十字軸材料為15CrNi4MoA鋼，其化學成分如表1所示。生產工藝流程：鍛造→正火、回火→粗車→探傷→半精車→滲碳→淬火、回火→感應淬火→精車。十字軸滲碳淬火工藝如圖3所示。
表1 試驗15CrNi4MoA鋼化學成分（質量分數） （%）
圖3 十字軸滲碳淬火工藝
十字軸經滲碳淬火後，在其中一個軸頸上進行感應淬火，採用套圈連續加熱的方式進行，由於十字軸滲碳淬火加低溫回火後，其表面組織為高碳回火馬氏體，組織應力較大，在這種狀態下進行二次淬火，容易出現淬火裂紋，為了解決此問題，感應淬火採用自冷的方式進行冷卻。該十字軸軸頸直徑為250mm，因直徑較大，能夠較為快速的吸收感應淬火時表面加熱層的熱量，使表層具備一定的冷卻速度，同時15CrNi4MoA鋼因含有很高的合金元素，使CCT曲線右移，增加過冷奧氏體分解的孕育期，使奧氏體有充分的時間轉變為馬氏體，基於這兩點，感應淬火採用自冷的冷卻方式，既可以避免冷卻速度過快造成熱應力過大而產生淬火裂紋，又能保證達到淬火的效果。感應淬火具體工藝參數如表2所示。
表2 感應淬火工藝參數
為檢驗滲碳淬火加感應淬火的效果，首先，對感應淬火後的軸頸進行PT探傷，確保不會出現淬火裂紋；其次，分別在十字軸本體軸頸上取樣，並對試樣編號，1#為滲碳淬火試樣，2#為滲碳淬火加感應淬火試樣，並對本體進行表面硬度檢測，對試樣進行滲碳層深度、金相組織檢測。
3. 試驗結果及分析
（1）PT探傷檢測
對滲碳淬火加感應淬火後的軸頸進行PT探傷，未發現裂紋。
（2）表面硬度檢測
分別檢測滲碳淬火軸頸和滲碳淬火加感應淬火軸頸的表面硬度，其結果如表3所示。
表3 硬度檢測結果
從表3的檢測結果可知，滲碳淬火後的十字軸表面硬度只能達到56.5HRC，若在此硬度值狀態下直接使用，會嚴重影響產品的使用壽命，而經過滲碳淬火加感應淬火的十字軸表面硬度有顯著的提升，可達到60.2HRC，與軸承滾子的硬度值相當，是十字軸使用的最佳硬度值。
（3）硬化層深度檢測
分別對1#滲碳淬火試樣和2#滲碳淬火加感應淬火試樣使用顯微維氏硬度計檢測硬化層深度，檢測結果如表4所示，硬度梯度曲線分布如圖4所示。
表4 硬度梯度分布
圖4 硬度梯度分布曲線
根據硬度梯度分布曲線可知，15CrNi4MoA鋼十字軸在滲碳淬火後再進行感應淬火，硬化層的硬度值有顯著的提高，至表面2.4mm距離處的硬度還有700HV1（60HRC）左右，大於2.4mm後，硬度隨著碳含量的降低而逐漸降低。根據GB/T9450—2005 《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》 規定要求，以550HV1為有效硬化層界限硬度值，其有效硬化層深度從3.27mm提高到4.68mm。
（4）金相組織檢測
分別對1#滲碳淬火試樣和2#滲碳淬火加感應淬火試樣進行金相組織檢測，結果如圖5所示。
按GB/T25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》進行評級。
由圖5a、5b可知，工件表層有一定脫碳層，而表層脫碳是導致表層0.6mm深度內硬度偏低的主要原因。
由圖5c、5d可知，1#滲碳淬火試樣淬硬層馬氏體級別為4級，針狀馬氏體針長在8～13μm，殘留奧氏體為4級，含量在18%～25%，碳化物級別為1級，無或極少量細顆粒狀碳化物；2#滲碳淬火加感應淬火試樣淬硬層馬氏體級別為2級，細針馬氏體針長在3～5μm，殘留奧氏體為1級，含量≤5%，殘留奧氏體量顯著減低，碳化物級別為2級，細顆粒狀碳化物加稍粗的粒狀碳化物。
由圖5e、5f可知，心部均為回火貝氏體組織，因此滲碳淬火後加感應淬火工藝對心部組織沒有影響，不影響心部強度。
圖5 十字軸不同工藝熱處理後金相組織
奧氏體是一種硬度很低的相，淬硬層中大量殘留奧氏體是導致15CrNi4MoA鋼十字軸滲碳淬火後硬度低的主要原因，滲碳淬火後增加感應淬火，其殘留奧氏體量減小，馬氏體針變細，以及粒狀碳化物的出現是使淬硬層硬度提高的主要原因。
4. 討論
（1）滲碳淬火加感應淬火原理分析
15CrNi4MoA鋼十字軸滲碳後，其表面碳含量達到0.8%左右，並隨著距表面距離的增加，碳含量逐漸降低,直至基體碳含量為0.16%左右，滲碳層的高碳含量是15CrNi4MoA鋼十字軸能夠通過感應淬火提高硬度的基礎。
滲碳層在感應淬火時被快速加熱，加熱速度380～400℃/s，奧氏體形核率急劇增大，且奧氏體形成後沒有晶粒長大的時間，因此淬火的初始奧氏體晶粒度均為14～15級的超細化晶粒，淬火冷卻後形成高碳細針狀馬氏體，其硬度比普通淬火時高2～6HRC，這種現象被稱為「超硬度」。
此外，對在滲碳後普通淬火時殘留奧氏體較多的鋼種（如18CrNiW、20Cr2Ni4A鋼等），採用感應淬火時（因溶入奧氏體的碳化物數量不多），可以起到減少殘留奧氏體的作用，並可以使淬硬層深度大於滲碳層。感應淬火減少殘留奧氏體，其原理為奧氏體在被快速加熱、短時保溫的情況下，碳來不及充分溶解到奧氏體中，淬火後以碳化物的形式彌散分布在組織中，而奧氏體碳含量降低，可以降低淬火後的殘留餘奧氏體量，碳含量和殘留奧氏體的關係如圖6所示，碳含量越低，殘留奧氏體量就越少。組織的改善使淬硬層的整體硬度值都被提高，在相同硬度界限值時，硬化層深度相應增加，而十字軸心部不受感應淬火的影響，依然保留回火貝氏體組織，具備良好的力學性能。
圖6 碳含量對殘留奧氏體量的影響
（2）滲碳淬火加感應淬火應用討論
第一，感應淬火時，碳濃度達到0.35%左右，淬火後就可以達到界限值硬度550HV1，而整體淬火時，碳濃度需達到0.45%左右，淬火後才能達到界限值硬度550HV1。以本文中的十字軸為例，要求硬化層深度最小值為3mm，在僅採用滲碳淬火工藝時，就要求工件在距表面3mm處的碳含量達到0.45%，而採用滲碳淬火加感應淬火時，要求工件在距表面3mm處的碳含量達到0.35% 即可，這就意味著，採用滲碳淬火加感應淬火工藝，達到相同的硬化層深度所需的滲碳時間更短，從而可以降低生產成本。
第二，十字萬向接軸因其使用載荷大，十字軸的使用壽命一般在1～2年，在返修的十字萬向接軸中，拆解的十字軸的失效形式以表面磨損剝落為主，磨損剝落深度在0.5～1mm，加工去掉剝落層後，硬化層深度減小，硬度降低，無法直接二次使用，目前可用的十字軸修復手段只有重新滲碳淬火，但重新滲碳淬火存在著滲碳工藝難以確定、工件表面的油汙難以清理、變形量大、成本高等問題，修復工藝難度較大，所以很少採用。
目前我廠十字萬向節修復中的十字軸基本都是直接報廢，因此造成很大的成本浪費。但若採用感應淬火的方法進行修復，則十分方便，首先感應淬火屬於局部表層加熱，其熱處理變形量很小，且成本很低，拆解後的十字軸直接進行感應淬火，淬火後經車加工去除磨損剝落部分，從圖4可知，感應淬火後的十字軸在去除1.5mm餘量後，其硬度依然達到700HV1（60HRC）左右，且硬化層深度也大於3mm，均能滿足設計技術要求，從而可以節約大量生產成本。
5. 結語
（1）15CrNi4MoA鋼十字軸滲碳淬火加感應淬火，可以有效提高工件表面硬度至60HRC左右，並整體提高硬度梯度值，增加硬化層深度，改善硬化層的金相組織。
（2）滲碳淬火加感應淬火工藝用在15CrNi4MoA鋼十字軸修復中，比重新滲碳淬火處理更加便捷，且節約成本。